半導體全面分析（二）：設計兩大巨頭、EDA三分天下、四大指令集

六、産業鏈

14. 上中下遊

半導體産業鏈可分爲上遊（材料、設備）、中遊（設計、制造、封裝）、下遊應用三大環節

16. 技術：設計流程

100 億個晶體管在指甲蓋大小的地方組成電路，想想就頭皮發麻！一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車，電子在芯片上跑來跑去，稍微有個 PN 結出問題，電子同樣會堵車，所以芯片的設計異常重要

芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作爲地基，再層層往上疊的芯片制造流程後，就可産出必要的芯片（後面會介紹），然而，沒有設計圖，擁有再強制造能力都沒有用1. 規格制定在 IC 設計中，最重要的步驟就是規格制定，這個步驟就像是在設計建築前，先決定要幾間房間、浴室，有什麽建築法規需要遵守，在確定好所有的功能之後在進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行後續修改第一步：確定 IC 的目的、效能爲何，對大方向做設定第二步：察看需要何種協議，否則芯片將無法和市面上的産品相容第三步：確立 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，並確立不同單元間連結的方法，如此便完成規格的制定2. 設計芯片細節這個步驟就像初步記下建築的規畫，將整體輪廓描繪出來，方便後續制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性並持續修改，直到它滿足期望的功能爲止

4. 電路布局與繞線將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。在經過不斷的檢測後，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顔色，每種不同的顔色就代表著一張光罩

在此過程中，常用的工具包括 IP 模塊和 EDA，下面會詳細介紹

高通 Qualcomm1985 年，高通創立，總部設于美國加利福尼亞州聖叠戈市1989 年，推出用于無線和數據産品的碼分多址（CDMA）技術2018 年，營收 227 億美元，其中半導體收入174 億美元，專利技術授權收入 53 億美元，中國大陸收入占 66.64%高通主營業務分兩部分，分別爲QCT（高通半導體業務）與QTL（高通技術許可業務），QCT主要研發集成電路産品和系統軟件産品等，骁龍芯片就屬于其中；QTL 將擁有的 13 萬項全球範圍專利，收取高額的專利費用1.高額專利授權費：通過授權使用CDMA技術，收取高額費用2.專利反授權：高通依靠對CDMA的壟斷，要求所有獲得CDMA標准專利授權的廠商，必須向高通無償提供所有通信專利授權3.高通稅：高通強制規定，要求使用高通SOC的手機廠商，在繳納巨額高通授權費後，還必須繳納相當于手機價格 5%—10% 的錢作爲專利費，注意，是銷售定價，哪怕是你手機鑲上了 100 克拉的鑽石，也要按總售價收

RISC-V：1981 年 RISC-I 開發完成，2010 年加州大學伯克利分校的 DavidPatterson教授開發完成 RISC-V 指令集，非常精簡和靈活，BSD（BerkeleySoftware Distribution）開源協議允許使用者修改發布和銷售。任何人都可以基于RISC-V指令集進行芯片設計和開發，然後拿去賣錢，而不需要支付授權費用

20. IP 核

IP 核（Intellectual Property Core）是指在半導體集成電路設計中那些可以重複使用的、具有自主知識産權功能的設計模塊，設計公司無需對芯片每個細節進行設計，通過購買成熟可靠的IP方案，實現某個特定功能，這種類似搭積木的開發模式，縮短了芯片開發的時間，提升了芯片的性能IP 核有三種不同的存在形式：HDL 語言形式，網表形式、版圖形式，分別對應我們常說的三類 IP 內核：軟核、固核和硬核軟核是用 VHDL 等硬件描述語言描述的功能塊，並不涉及用什麽具體電路元件實現這些功能，優點是設計周期短，設計投入少，布局和布線靈活，缺點是一定程度上使後續工序無法適應整體設計，性能上也不可能獲得全面的優化，軟核通常以加密形式提供，實際的 RTL 對用戶不可見固核對軟核進行了參數化，用戶可通過頭文件或圖形用戶接口(GUI)方便地對參數進行操作，由于內核的建立(setup)、保持時間和握手信號都可能是固定的，因此其它電路的設計時都必須考慮與該內核進行正確地接口硬核提供設計階段最終階段産品——掩膜，以經過完全的布局布線的網表形式提供，同時還可以針對特定工藝或購買商進行功耗和尺寸上的優化，盡管硬核由于缺乏靈活性而可移植性差，但由于無須提供寄存器轉移級(RTL)文件，因而更易于實現 IP 保護21. 産業：全球2018 年全球半導體 IP 市場規模爲 49 億美元，ARM 占 41%

ARM 安謀1978 年，Acorn電腦公司在英國劍橋創立1985 年，研發出精簡指令集架構處理器，名爲Acorn RISC Machine，簡稱ARM1990 年，蘋果、Acorn、VLSI 合資公司 ARM 正式成立

ARM 指令集架構的主要特點：一是體積小、低功耗、低成本、高性能，非常適用于移動通訊領域二是大多數數據操作都在寄存器中完成，指令執行速度更快三是尋址方式靈活簡單，執行效率高四是指令長度固定，可通過多流水線方式提高處理效率ARM 做芯片的架構設計，相當于畫工程圖紙，然後把圖紙賣給各大芯片設計公司，這些公司基于這個原始圖紙，進行修改，最終設計自己想要的芯片，交付芯片工廠去生産出來，授權模式分爲三個等級：

22. 産業：中國國內僅有中科院的龍芯和總參謀部的申威擁有自主架構，前者用于北鬥導航，後者用于神威超級計算機，民用領域基本是空白國內 IP 有華大九天、橙科微、IPGoal 和Actt等廠商。其中華大九天提供提供高速接口；橙科微則是Serdes IP供應商；IP Goal則提供包括USB1.1/2.0/3.0/codec/還有其他IO在內的數模混合類IP；ACTT的産品包括了Serdes、物聯網、指紋和傳感器等方面的低功耗IP

EDA 是電子設計自動化（ElectronicDesign Automation）的簡稱，是從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的

在EDA出現之前，設計人員必須手工完成芯片的設計、布線，利用 EDA 工具，電子工程師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，大量工作可以通過計算機完成，並可以將電子産品從電路設計、性能分析到設計出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個過程在計算機上自動處理完成

2018 年，全球 EDA 市場規模 97 億美金

25. 技術如果粗略地劃分，我們可以將EDA的CAD市場分爲三部分：前端技術（frontend，包括Verilog等的模擬與器件組合），後端技術（backend，包括 Place＆Routing 芯片布局與繞線），驗證技術（DRC／LVS等）

26. 産業：全球全球 EDA 市場基本上被三家公司壟斷：Cadence、Synopsys和和 Mentor Graphics。其中規模最小的 Mentor Graphics 已經被西門子收購。三大 EDA 供應商都能提供全套的芯片設計解決方案，包括模擬、數字前端、後端、DFT、Signoff 等一整套設計工具

Synopsys 新思科技1986 年，Synopsys（新思科技）成立，由 Aart de Geus 帶領通用電氣公司微電子研究中心的工程師團隊創立，2008 年成爲全球排名第一的EDA 軟件工具領導廠商，2018 財年營收 217 億元Synopsys 建立了完整的芯片 ASIC 設計 FLOW，包括：Verilog仿真工具 VCS、邏輯綜合工具 Design Compiler、物理布局布線工具 IC Compiler、形式驗證工具 Formality、時序分析工具 Prime TIme、參數提取工具 STAR-RC、版圖檢查工具 Hercules、還有 ATPG工具TetraMAX，可以說是集“廣、大、全”于一身Synopsys 通過發起幾十余項並購交易，不斷尋找那些已經被市場證明成功的産品及其企業，通過滾動並購操作達到了擴大業務規模、進行技術整合的目的